Jasna Strona Czarnych Dziur

[Gość Koko_]

Są czarne, gęste, trudne do zauważenia i zawsze sieją zniszczenie. Oto obraz czarnych dziur wykreowany przez literaturę SF i media. Krótko mówiąc: same bzdury.

 

Zazwyczaj czarne dziury funkcjonują w naszej świadomości jako kwintesencja zła, wpisanego w prawa fizyki naszego wszechświata. Utkane z samej czasoprzestrzeni, kryją się w jej zakamarkach, by znienacka zaatakować przelatującą w pobliżu materię, przybierającą niekiedy – dość pechowo – formę astronauty. Ów obraz czarnych dziur, aczkolwiek dość romantyczny, jest jednak bardzo uproszczony. Zgadza się z wiedzą naukową, ale tą sprzed ładnych kilkudziesięciu lat.

 

(Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej.)

Współczesna fizyka wyróżnia kilka rodzajów czarnych dziur, z którymi związane są różnorodne i skomplikowane procesy fizyczne. Ich pobieżne omówienie wymagałoby całej książki. Z tego powodu medialny stereotyp czarnych dziur spróbujemy zburzyć za pomocą obiektów tylko jednego typu. Przyjrzymy się władcom czarnych dziur – gigantom liczącym od setek tysięcy do dziesiątków miliardów mas Słońca. Są to tzw. supermasywne czarne dziury, oznaczane skrótem SMBH (Supermassive Black Hole).

 

Śródgalaktyczne monstra

 

Najbliższa nam supermasywna czarna dziura, Sagittarius A*, znajduje się w jądrze Drogi Mlecznej, w odległości ok. 26 tysięcy lat świetlnych od Ziemi. Skąd wiemy, jak masywny jest ów obiekt? W ciągu ostatnich kilkunastu lat astronomowie obserwowali ruch 200 gwiazd w jego pobliżu. Zarejestrowane zachowanie gwiazd można było wytłumaczyć tylko wtedy, gdyby w centrum Drogi Mlecznej kryło się monstrum o masie 3,7 ± 0,2 mln mas Słońca. Przy okazji namierzono rekordzistkę pod względem zbliżenia do Sagittariusa A*: okazała się nią gwiazda S0-16, która przeleciała zaledwie 45 jednostek astronomicznych od centrum, poruszając się przy tym z zawrotną prędkością 12 000 km/s!

 

Materia spadająca na supermasywną czarną dziurę tworzy wokół niej wir, tzw. dysk akrecyjny. Cząstki tego wiru, przyspieszane niemal do prędkości światła, emitują promieniowanie o coraz większych energiach i w rezultacie okolica czarnej dziury jest źródłem olbrzymich dawek promieniowania, zwłaszcza rentgenowskiego. W przestrzeni kosmicznej źródłem tego promieniowania są m.in. kwazary i jądra aktywnych galaktyk, w których, jak się przypuszcza, znajdują się właśnie supermasywne czarne dziury.

 

W porównaniu do innych SMBH, czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej wydaje się dość spokojna. Niektóre obserwacje astronomiczne sugerują jednak, że w jądrze naszej galaktyki mogło niedawno dojść do rozerwania i „połknięcia” gwiazdy. Z symulacji komputerowych wynika, że gdyby czarna dziura rozerwała gwiazdę rozmiarów czerwonego olbrzyma i wyprodukowała w pobliżu horyzontu dysk akrecyjny, rezultatem byłby intensywny strumień protonów, poruszających się z prędkościami bliskimi c i emitowanych przez kilka tysięcy lat. Oddziaływałby on z gęstym gazem w pobliżu, a to prowadziłoby do emisji promieniowania o energiach rzędu teraelektronowoltów. I takie właśnie źródło promieniowania odkryto niedawno w centrum Drogi Mlecznej.

 

Zdolność czarnych dziur do generowania olbrzymich dawek promieniowania wykorzystano do oszacowania liczby SMBH w obserwowalnej części Wszechświata. Użyto w tym celu dwóch kosmicznych teleskopów: Chandra i Hubble'a. Ten pierwszy działa w zakresie rentgenowskim, wyłapuje więc promieniowanie, które powinno być emitowane z dysków akrecyjnych. Porównanie źródeł emisji rentgenowskiej ze zdjęciami w świetle widzialnym, wykonanymi za pomocą teleskopu Hubble'a, pozwoliło stwierdzić, że obiekty te w wielu przypadkach pokrywały się z obrazami odległych o miliardy lat świetlnych galaktyk. Ponieważ liczbę tych ostatnich potrafimy w miarę ocenić, liczbę supermasywnych czarnych dziur dostępnych dziś naszym obserwacjom oszacowano na ok. 300 milionów. Przy okazji stwierdzono, że aby pożreć masę odpowiadającą milionom mas Słońca i zacząć wytwarzać promieniowanie rentgenowskie, SMBH potrzebuje ok. 700 milionów lat. W skali geologicznej to może nie mgnienie oka, ale i tak niezbyt długo.

 

Supermasywną czarną dziurę nietrudno więc dostrzec z odległości nawet miliardów lat świetlnych. Lecz aktywny obiekt tego typu zaznacza swą obecność nie tylko promieniowaniem – często wytwarza dwie naprawdę wyraźne „strzałki”. Są nimi tzw. dżety, czyli strugi materii, wystrzeliwane z okolic biegunów czarnej dziury. Za ich istnienie jest w zasadzie odpowiedzialne to samo zjawisko, które… pozwala utrzymać równowagę na rowerze. I tu, i tu mamy do czynienia z momentem pędu. Materia spadająca na czarną dziurę krąży wokół niej z coraz większymi prędkościami i w rezultacie czarna dziura musiałaby ciągle zwiększać szybkość wirowania. Tak się jednak nie dzieje. Część materii jest bowiem transportowana nad horyzontem ku biegunom, skąd następnie zostaje wystrzelona w kosmos z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła – tak czarna dziura pozbywa się nadmiaru momentu pędu (gdy więc, czytelniku, następnym razem wsiądziesz na rower, z należytym respektem potraktuj utrzymujące cię na nim prawa fizyki).

 

W rzeczywistości proces powstawania dżetów nie jest jednak aż tak prosty jak tu opisano, bo zaangażowane jest tu m.in. pole magnetyczne czarnej dziury i wiele różnych oddziaływań. Można jednak powiedzieć, że supermasywna czarna dziura jest niezwykle efektywnym „urządzeniem”, zamieniającym ruch obrotowy (materii w dysku) w ruch liniowy (cząstek w dżetach). Rezultaty tego procesu są imponujące: dżety wystrzeliwane z jądra galaktyki NGC 6251 przez liczącą miliard mas Słońca czarną dziurę mają długość ok. 1,5 miliona lat świetlnych. W każdą ze stron, co daje strukturę rozciągającą się na 3 miliony lat świetlnych – dystans ponad dziesięć razy większy od średnicy Drogi Mlecznej!

 

Cień niewidocznego

 

Jeśli jakiś obiekt manifestuje swoją obecność na odległościach liczonych w milionach lat świetlnych, raczej nie można go uważać za trudny do zauważenia. Niestety, widzimy wówczas nie samą czarną dziurę, a materię z jej najbliższej okolicy. Czy zatem samej galaktycznej czarnej dziury naprawdę nie widać? Ależ skąd! Świecąca wokół niej materia tworzy przecież jasne tło i nic nie stoi na przeszkodzie, abyśmy mogli zobaczyć czarną dziurę – w dokładnie taki sam sposób, w jaki widzimy nasz cień. Astronomowie już dziś szukają cienia SMBH w Drodze Mlecznej. Próbują tego dokonać za pomocą wielu radioteleskopów, działających w zakresie fal radiowych o długości milimetra i krótszych, sprzężonych ze sobą metodami interferencyjnymi. Gwarantuje to uzyskanie dużej rozdzielczości kątowej, która w powstających instrumentach powoli zbliża się do wymaganej do bezpośredniego zaobserwowania naszej SMBH. Można zatem przypuszczać, że pierwsza fotografia czarnej dziury zostanie wykonana w ciągu najbliższych kilku lat.

 

Supermasywne czarne dziury nie są zatem tak czarne, jakby sugerowała ich nazwa. Odbiegają od stereotypu także innym parametrem: gęstością. Decydujący o rozmiarach sferycznej czarnej dziury tzw. promień Schwarzschilda – odległość horyzontu zdarzeń od środka obiektu – jest wielkością wprost proporcjonalną do masy. Natomiast gęstość jest odwrotnie proporcjonalna do objętości sferycznej czarnej dziury. Jak wiemy, objętość kuli to także funkcja promienia, lecz aż w trzeciej potędze. Zatem im większa czarna dziura, tym rzadsza, bo promień Schwarzschilda rośnie znacznie wolniej od objętości. W rezultacie dostatecznie szalony przedstawiciel którejś z naprawdę wysoko zaawansowanych cywilizacji mógłby się pokusić o wykorzystanie zawartości supermasywnych czarnych dziur do… wypełniania balonów atmosferycznych. Byłoby to – przynajmniej teoretycznie – sensowne, bo gęstość materii największych czarnych dziur może być mniejsza nawet od gęstości powietrza.

 

Los astronautów w pobliżu supermasywnej czarnej dziury także nie byłby aż tak niemiły, jakby się z pozoru wydawało (przynajmniej na początku). W przypadku małej czarnej dziury, o masie – powiedzmy – 8 mas Słońca, siły pływowe rozerwałyby nas najprawdopodobniej już w odległości kilkuset km od środka obiektu (horyzont w tym przypadku znajdowałby się w odległości zaledwie 24 km od centrum). W przypadku SMBH horyzont zdarzeń jest jednakże w dużej odległości od środka czarnej dziury i siły pływowe działające na załogę nie byłyby śmiertelne nawet w chwili jego przekraczania. Szacuje się, że zakrzywienie czasoprzestrzeni przy horyzoncie czarnej dziury w jądrze Drogi Mlecznej jest zaledwie dwadzieścia razy większe od zakrzywienia czasoprzestrzeni wywołanego obecnością Ziemi, a tego ostatniego nie jesteśmy przecież nawet w stanie wyczuć. Dopiero później, w pobliżu środka czarnej dziury, sytuacja astronauty mogłaby się znacznie pogorszyć. Mogłaby, gdyż w zasadzie nikt nie wie, co napotkamy pod horyzontem czarnej dziury.

 

Nie taki władca straszny

 

Wydawałoby się, że takie monstrum jak SMBH niepodzielnie włada czasoprzestrzenią i nie ma się czego obawiać. Ponownie dalibyśmy się zwieść pozorom. Supermasywne czarne dziury tkwią bowiem w jądrach galaktyk, a te – jak wiemy choćby po przykładzie Drogi Mlecznej – często uczestniczą w kolizjach. W wyniku takiej kolizji SMBH może zostać wyrzucona z jądra własnej galaktyki. Sporą szansę na bycie takim „czarnym supersamotnikiem” ma odległy o 3 mld lat świetlnych kwazar HE0450-2958, gigant o masie 400 milionów mas Słońca. Kwazary to w zasadzie jądra wielkich, odległych galaktyk. Problem w tym, że HE0450-2958 nie ma żadnej galaktyki. W odległości ok. 20 tys. lat świetlnych od niego znajduje się natomiast galaktyka, w której zachodzą intensywne procesy formowania gwiazd – efekt, którego należałoby się spodziewać po galaktycznej kolizji. Wydaje się więc, że ok. 100 milionów lat temu HE0450-2958 została wyrzucona z jądra macierzystej galaktyki z prędkością ok. 300 km/s, prawdopodobnie wskutek efektu „katapulty grawitacyjnej” – tego samego mechanizmu, który wykorzystujemy do przyspieszania naszych sond kosmicznych w polach grawitacyjnych planet (inna, wciąż brana pod uwagę możliwość, to prowadząca do odrzutu anizotropowa, gwałtowna emisja fal grawitacyjnych przez czarną dziurę – a więc naturalny silnik grawitacyjny).

 

Najbardziej zaskakującą cechą supermasywnych czarnych dziur jest jednak fakt, że potrafią sprzyjać nie tylko zniszczeniu, ale również kreacji. W jądrze Drogi Mlecznej odkryto pierścień jasnych gwiazd o niewielkiej masie, krążących w odległości zaledwie jednego roku świetlnego od Sagittariusa A*. Obecne analizy pozwalają odrzucić możliwość, że gwiazdy te przewędrowały w pobliże czarnej dziury z dalszych rejonów (byłby to tzw. scenariusz migracji). Znacznie bardziej prawdopodobny jest wariant, że gęstość materii w dysku akrecyjnym jest wystarczająca, aby przezwyciężyć siły pływowe czarnej dziury. W rezultacie materia kondensuje, prowadząc do narodzin gwiazd. Sagittarius A* nie tylko gwiazdy pożera, lecz również produkuje – i to w niezłej liczbie, ocenia się bowiem, że w pierścieniu znajduje się około 10 tysięcy gwiazd. Niektóre z nich podczas zbliżeń do czarnej dziury mogą nawet dostać „grawitacyjnego kopniaka” i uzyskać prędkość dostatecznie dużą, aby opuścić galaktykę (prędkość ucieczki z Drogi Mlecznej szacuje się na 300 km/s w odległości 50 kiloparseków od centrum). Odkryto już kilka takich gwiazd, określanych jako HVS (Hipervelocity Star), poruszających się z prędkościami dochodzącymi do 700 km/s w odległościach 55-75 kiloparseków od centrum. Mamy więc przekonujące wskazówki, że Sagittarius A* potrafi rozsiewać gwiazdy nie tylko w obrębie swojej galaktyki, ale także poza nią.

 

Siewcy życia

 

Na tym się nie kończy. Ciepły gaz, unoszący się znad supermasywnych czarnych dziur, może wywiewać w przestrzeń kosmiczną cięższe pierwiastki, takie jak węgiel czy tlen. Tak zachowuje się czarna dziura w galaktyce NGC 4051, gdzie źródło materii znajduje się w odległości zaledwie 2000 promieni Schwarzschilda od centrum SMBH (w tym przypadku jest to odległość pięciokrotnie większa od odległości Neptuna od Słońca). Z opadającej na czarną dziurę materii 2-5% ulatuje w kosmos z prędkościami dochodzącymi do 6-7 mln km/h. Wydmuchiwany z okolic galaktycznych czarnych dziur pył może zawierać nie tylko ciężkie pierwiastki, ale nawet minerały. Niedawno w otoczeniu kwazara PG2112+059 zaobserwowano ślady sugerujące obecność krystalicznych krzemianów, na Ziemi występujących zazwyczaj jako składniki piachu czy marmurów (ba, doszukano się nawet śladu... rubinów!). Materia ta trafia do międzygwiezdnych obłoków, z których z czasem kondensują gwiazdy i planety.

 

Okazuje się zatem, że część materii niezbędnej do powstania życia pochodzi nie tylko z wybuchów supernowych, lecz jest również rezultatem aktywności obiektów do niedawna kojarzonych wyłącznie z niszczeniem. Wplecione w strukturę czasoprzestrzeni zło okazuje się mieć drugą, tym razem jasną stronę.

 

 

Źródło: portal wiedzy / nowa fantastyka

[djsilence]

i co to robi w temacie o nowościach komputerowych?

jaki sens kopiować całość, zamiast skopiować lead i podać link do reszty ?

 

podpis masz słuszny. :]

 

oby to bylo przed-ostatni raz.

 

PS, onet nawet o tym trąbi. KOMON !

[DziubekR1]

Niesamowite rzeczy, zawsze lubie poczytac takie tematy.

[hubi_89]

troche nius bez sensu..

lol.. na glownej onetu jest to samo.. onet.pl

[und3r]

Może i bez sensu jest umieszczanie tego typu "newsow" na forum komputerowym, jednak artykuł jest ciekawie napisany i w prosty sposob wyjaśnia zagadnienia, które są interesujące dla wielu osob :) .

[Prog]

Mi tam też nie przeszkadza umieszczenie tego artykułu tutaj. Z onetu nie korzystam. Dzięki Koko_.